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        基于AHP的寧都縣泥石流災(zāi)害評價

        2020-12-11 01:32:04計江淮
        黑龍江水利科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:寧都縣危險性泥石流

        計江淮

        (上饒市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心,江西 上饒 334000)

        泥石流是一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,其特點是爆發(fā)快、預(yù)測難、危改高。我國山區(qū)幅員遼闊,泥石流災(zāi)害爆炸頻發(fā),經(jīng)常發(fā)生爆炸的泥石流不僅制約山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,而且威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全,對地區(qū)的生態(tài)平衡產(chǎn)生巨大的影響。因此,對泥石流災(zāi)害區(qū)進行泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價,是預(yù)防泥石流產(chǎn)生,降低泥石流帶來損失的最佳方式。目前,國內(nèi)外對泥石流風(fēng)險評價的研究已經(jīng)處于較為成熟的階段[1]。

        1 研究區(qū)概況

        寧都縣是江西省南部的一個地級縣,地理位置圖見圖1。東邊接壤臨廣縣、石城縣,南邊魚瑞金市、玉都縣相鄰,西由南至北總跨度為117.2km,形態(tài)較為狹窄,東至西部僅寬61km。整個縣城有河流594條,河網(wǎng)總長度2327km。寧都縣是地質(zhì)災(zāi)害較易產(chǎn)生的地區(qū),歷史上多次受到地質(zhì)災(zāi)害的影響。在2002年6月,縣城突發(fā)大規(guī)模降雨。各個水文站監(jiān)測降雨量達到398.2mm。致使大量農(nóng)田受到災(zāi)害,累計1.87萬hm2。房屋被沖垮826間,中小型的水利工程設(shè)施被嚴重損害,直接經(jīng)濟損失接近一億元人民幣[2]。

        圖1 寧都縣地理位置圖

        2 數(shù)據(jù)來源及評價方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        本次研究取得研究區(qū)內(nèi)斷層距離數(shù)據(jù)、地質(zhì)巖石分布數(shù)據(jù)、高程DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、人口密度、植被NDVI數(shù)據(jù)、土地利用類型、降水數(shù)據(jù)和歷史土壤分布等,以獲得相關(guān)的地形特征、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣候和人為活動的各因素數(shù)據(jù)。其中,利用寧都縣地區(qū)氣象局的觀測資料,通過計算年平均降水量分布資料,得到降水資料。從地貌圖中提取坡度和高程數(shù)據(jù)。從地質(zhì)構(gòu)造圖中獲得地貌和斷裂帶范圍數(shù)據(jù)。植被覆蓋NDVI值和土地利用類型來自于對研究區(qū)的遙感解譯。

        2.2 研究方法

        在泥石流風(fēng)險評價指標體系中,各變量的權(quán)重大小不同,其對最終綜合評價結(jié)果的影響程度就會不同。文章采用層次分析法(AHP)確定各類規(guī)定的因素,在指標體系中的權(quán)重大小。層次分析法AHP方法在1970年代提出了定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)級決策分析方法,它強調(diào)了角色的思維來判斷決策的過程中,通過某些模型決策思維過程標準化[3]。適合兩個定量指標和定性指標,根據(jù)從屬關(guān)系的因素分為上部和下部幾個層次的決策問題。具體步驟如下:

        1)構(gòu)建評價指標體系,泥石流危險性評價的主要四個中間要素為地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、人文氣候和人類活動,其下具體劃分為斷裂帶、地層巖性、坡度、高程、降雨量、植被覆蓋、土地利用和人口密度這八個評價因子。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

        圖2 評價體系

        2)構(gòu)造判斷分析矩陣;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型決定了各個指標上下層之間的從屬關(guān)系。相同層級之間的元素,以相鄰的上一層級元素為準,成對進行比較[4]。

        (1)

        3)計算判斷矩陣的最大特征值與特征向量[5]。層次分析法的一個關(guān)鍵問題是確定判斷矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量。文章采用規(guī)范列平均法計算:

        計算各列bij的歸一化:

        (2)

        求規(guī)范列的平均:

        (3)

        向量Wi是所求的特征向量。計算判斷矩陣B的最大特征值:

        (4)

        式中:(BW)i為向量BW中的第i個元素。結(jié)果如下:

        4)一致性檢查。通過使用和乘積法,獲得每一個判斷矩陣的最大特征根入max和其對應(yīng)的特征向量W,正?;淖畲筇卣鞲鶎?yīng)的特征向量hmax,每個元素的相對重要性權(quán)重下一級相對于以前的水平可以獲得相應(yīng)的元素。然后,根據(jù)一致性比率CR,對判斷矩陣進行一致性檢驗[6]。CR的計算公式如下:

        (5)

        (6)

        5)分層排序和一致性檢查;相對重要性權(quán)重因素在同一水平相對于高層確定標準,所有因素的相對重要性權(quán)重在每個水平相對于最高水平可以在此基礎(chǔ)上,計算被稱為層次結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

        3 泥石流風(fēng)險評價

        3.1 權(quán)重結(jié)果

        根據(jù)上述AHP的計算方法,建立兩個層次的判斷矩陣,并且求出其權(quán)重值,所得結(jié)果見表1。

        表1 中間要素層權(quán)重計算

        一致性比例CR: 0.0077;對"泥石流危險性評價"的權(quán)重:1.0000;λmax: 4.0206

        由表1可知,在要素分類層面,一致性比例CR值為0.0077<1,說明評價效果較好。地形地貌對泥石流災(zāi)害的影響程度最高,權(quán)重為0.4786,排序為1。其次為人文氣候,權(quán)重為0.2166,排序為2。地質(zhì)構(gòu)造對泥石流災(zāi)害的影響最低,是一個長期積累的過程,評價權(quán)重為0.1083,排序為4。

        一致性比例:0.0004;對"泥石流危險性評價"的權(quán)重:0.1083;λmax: 2.00

        在地質(zhì)構(gòu)造的影響中,地層巖性權(quán)重占比較高,權(quán)重為0.75,一致性比例CR值為0.0004<1,評價效果較高。地層巖性對泥石流災(zāi)害的形成起到至關(guān)重要的作用。見表2。

        表2 地質(zhì)構(gòu)造權(quán)重計算

        一致性比例: 0.0007;對"泥石流危險性評價"的權(quán)重:0.4786;λmax: 2.0000

        坡度主要控制坡面對泥石流形成時的物源匯集速度,在較為理想的坡度上,遇見強降雨,會快速匯集泥石流爆發(fā)所需要的固體松散物質(zhì)。坡度的權(quán)重排序遠大于高程,為0.75,高程的權(quán)重排序為0.25。一致性比例CR值為0.0007<1,評價效果較好。見表3。

        表3 地形地貌

        一致性比例: 0.0019;對"泥石流危險性評價"的權(quán)重:0.2166;λmax: 2.0000

        人文氣候的影響評價中,一致性比例CR值為0.0019<1,評價效果較好。植被覆蓋的權(quán)重值為0.6667,占比較高,說明植被覆蓋對泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生影響較高。降雨條件是泥石流災(zāi)害區(qū)系統(tǒng)外部輸入的能量。它是泥石流啟動的必要條件。區(qū)域內(nèi)部良好的植被覆蓋能夠起到有效的降雨截留,保護下墊面產(chǎn)生土壤侵蝕,大量減少水流裹挾的固體松散物質(zhì)。見表4。

        表4 人文氣候

        一致性比例: 0.0000;對"泥石流危險性評價"的權(quán)重:0.1966;λmax: 2.0000

        寧都縣人為活動對區(qū)域泥石流災(zāi)害的影響是較大的,人類活動通常會改變泥石流災(zāi)害區(qū)的自然條件,會促進或抑制泥石流的產(chǎn)生。在評價中,一致性比例CR值為0<1,評價效果較高。土地利用的權(quán)重值為0.8,影響程度較高。見表5。

        表5 人為活動

        對寧都縣的所有評價結(jié)果進行匯總分析可知,中間要素層中,地形地貌對泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生起到最為重要的控制,占比較高。在分權(quán)重排序中,坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。見圖2。

        圖2 各評價因子權(quán)重總圖

        在對個指標進行靈敏度分析時發(fā)現(xiàn),中間要素層方案進行轉(zhuǎn)化的時候,排序結(jié)果發(fā)生變化,但效果變差。所以現(xiàn)有評價最為準確。見圖3。

        圖3 靈敏度分析

        3.2 泥石流風(fēng)險評價

        根據(jù)上述研究分析得到的泥石流評價因子及各因子的權(quán)重系數(shù),通過加權(quán)計算,構(gòu)建出泥石流危險性的評價模型,其計算公式為:

        (7)

        通過使用層次分析法計算出的各影響因子的指標權(quán)重,通過上述加權(quán)運算,得出每一個柵格的具體危險程度評價值[7-8]。建立寧都縣泥石流的危險性評價模型。對研究區(qū)內(nèi)的數(shù)值進行標準化1-5處理,用1-5表示災(zāi)害產(chǎn)生的危險程度。計算結(jié)果表明:研究區(qū)泥石流風(fēng)險的最大值為4.93,最小值為0.13。計算結(jié)果的大小可以直接反映出泥石流災(zāi)害發(fā)生程度。計算結(jié)果越大,各個評價指標對泥石流產(chǎn)生的綜合影響程度越高,研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)生泥石流的風(fēng)險也越高。在當前的研究中,尚沒有對泥石流風(fēng)險評價的具體劃分方法,文章采用自然劃分法,對各個評價指標的數(shù)據(jù)進行量化處理,將該地區(qū)的風(fēng)險劃分為五個層次:極高風(fēng)險區(qū)(指標4-5)、高風(fēng)險區(qū)(指標3-4)、中風(fēng)險區(qū)(指標2-3)、低風(fēng)險區(qū)(指標1-2)、極低風(fēng)險區(qū)(指標0-1)。通過對危險程度的劃分,采用ARCGIS10.4軟件對各個結(jié)果進行疊加,最終得出寧都縣泥石流風(fēng)險評價圖。見圖4。

        圖4 研究區(qū)泥石流危險性分布

        由此結(jié)果可以看出,極高危險區(qū)出現(xiàn)在寧都縣東部及東北部,面積占比為23.4%。主要原因是該地區(qū)人口分布較低,植被覆蓋度較低,長期受到土壤侵蝕作用,為該區(qū)域提供大量的物質(zhì)來源。寧都縣中南部地區(qū)泥石流災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險較低,該區(qū)域主要為寧都縣縣城所在地,大量人類建筑及改造,降低了泥石流產(chǎn)生的風(fēng)險。寧都縣西部及西北部地區(qū),泥石流災(zāi)害風(fēng)險為中級和中低級,該地區(qū)人煙稀少,山地縱橫交錯,植被覆蓋茂盛。

        4 結(jié) 論

        文章利用AHP建立寧都縣泥石流危險性評價模型,使用ARCGIS軟件繪制出泥石流危險性分布圖,對泥石流災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險進行評價,得出影響該區(qū)域泥石流災(zāi)害產(chǎn)生的關(guān)鍵指標因素。并對重要的影響因素進行影響權(quán)重排序,得到坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。寧都縣東部及東北部泥石流災(zāi)害的風(fēng)險最高,西部及西北部地區(qū)風(fēng)險最低。

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